WO2014034658A1 - 電磁攪拌装置及び連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、各鋳型への電磁力を均一に付与することが可能な電磁攪拌装置を提供することを主目的とする。 本発明は、鋳型４を挟む対をなす電磁コイルＣ１、Ｃ２のコア１１に設けた２個のティース部１２の外側に内側巻き線１３を施し、その外側に外側巻き線１４を施し、これらに３相交流電源より位相差が１２０度の電流Ａ、Ｂ、Ｃを流し、電流の向きを、コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌが５００ｍｍ以上の場合は、鋳造方向の一端側から他端側へ向かって順に、コイルＣ１は－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂ、コイルＣ２は－Ｂ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ｂとし、距離Ｌが５００ｍｍ未満の場合は、コイルＣ１は－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂ、コイルＣ２は＋Ｂ、－Ａ、＋Ａ、－Ｃ、＋Ｃ、－Ｂとし、鋳型数ｎ、各鋳型の外寸サイズφ、及び、電磁コイル幅Ｗがｎ×φ＜Ｗを満たす数の鋳型をコイルＣ１、Ｃ２の間に配置する、電磁攪拌装置５とする。

Description

電磁攪拌装置及び連続鋳造方法

　本発明は、丸断面或いは角断面を有するビレット用連続鋳造装置において、単数或いは複数の鋳型について、鋳型内溶鋼の均一な流動制御が可能な電磁攪拌装置、及びそれを使用した連続鋳造方法に関するものである。

　丸断面或いは角断面を有するビレット鋳片は、製管、圧延工程を経て、様々な断面寸法の継目無鋼管や形鋼の素材となる。継目無鋼管や形鋼は、製品寸法が多種多様であり、圧延工程も異なることから、母材となるビレット鋳片の断面寸法もまた多様になる。このため、生産能力に応じた鋳型数による鋳込みが行われる。

　ここで、連続鋳造された鋳片、或いはインゴット鋳造後の圧延鋼塊において、横断面が正方形或いは丸形の鋳片をビレット鋳片と定義する。同様に上述した鋳片或いは鋼塊において、横断面が長方形の鋳片をブルーム鋳片と定義する。また、前記ビレット鋳片のうち、横断面が正方形のものを角ビレットと、横断面が丸形のものを丸ビレットと定義する。

　本発明を適用可能なビレット鋳片の連続鋳造設備１００の構成例を側面方向から見た縦断面図である図１を参照しつつ、連続鋳造について説明する。図１中の１はタンディッシュ、２は溶鋼、３は浸漬ノズル、４は鋳型、５は電磁攪拌装置、６は鋳型直下の鋳造用ロール、７は同じく二次冷却スプレー帯を含むローラーエプロン帯、８は凝固シェル、９はピンチロール、１０は鋳片を示す。

　連続鋳造では、取鍋からタンディッシュ１に注入された溶鋼２が浸漬ノズル３を介して鋳型４に注湯される。鋳型４に注湯された溶鋼２は、ピンチロール９の回転駆動により鋳造用ロール６群に沿って引き抜かれながら、二次冷却スプレー帯によって凝固シェル８の表面が冷却され、凝固が進行して鋳片１０になる。

　連続鋳造に際して、鋳型内溶鋼の流動を制御することは、メニスカスへの熱供給によるモールドパウダーの溶融安定化や鋳片表面の介在物除去など、操業上や鋳片品質上、極めて重要である。鋳型内溶鋼の流動を制御する方法として、鋳型内の溶鋼に電磁力を付与して攪拌する電磁攪拌が広く知られており、その際、複数の鋳型で操業を行う場合は、各鋳型に対して均一な流動となるよう電磁力を付与する必要がある。

　電磁攪拌のための電磁力を付与する方法として、回転移動磁界式と直線移動磁界式の二つが挙げられる。

　このうち、回転移動磁界式はビレット鋳片やブルーム鋳片等の連続鋳造に用いられており、鋳型の全周に沿って配置した複数の磁極により鋳型内に回転磁界を付与することで、均一な流動を得る方法である（例えば、特許文献１）。

　しかしながら、回転移動磁界式は、複数の鋳型に適用する場合、鋳型それぞれに電磁攪拌装置が必要となるので、電磁攪拌装置の設置数の増加や、鋳型の大型化により複数鋳型でのストランドの共有化ができなくなるなど、設備費の増加を招く。

　一方、直線移動磁界式として、出願人は、コイル鉄芯のコア１１から２個のティース１２を鋳型４側へ突出状に設け、これらティース１２それぞれに内側巻き線を施すと共に、更に２個のティース１２部の外側に外側巻き線を施して一つにまとめた電磁コイルを特許文献２で提案した。特許文献２で提案した電磁コイルを、図２Ａを参照しつつ説明する。この電磁コイルは、内側巻き線１３や外側巻き線１４に、位相差が１２０度の三相交流電流Ａ、Ｂ、Ｃを、図２Ａに示すように流すことにより、磁場を直線状に移動させる。以下、この電磁コイルをパイ型電磁コイルという。

　このパイ型電磁コイルを備えた電磁攪拌装置は、外側巻き線を施した相の磁場が同じ方向であるために磁束が大きくなり、大断面の鋳型に電磁力を印加する場合には、鋳型の全周に沿って良好な電磁力が得られる（図６Ａ参照）。

　しかしながら、パイ型電磁コイルの間に小断面の鋳型を複数設置した場合、パイ型電磁コイル間の間隔Ｌが狭くなるので鋳型４を貫通する磁束成分が強くなりすぎ、移動磁界を形成し難くなって電磁力に不連続な領域が生じてしまう（図６Ｂの不均一流動部での電磁力の歪を参照）。

特開平１０－２３０３４９号公報 特開昭６０－４４１５７号公報

　本発明が解決しようとする課題は、回転移動磁界式の電磁攪拌装置を複数の鋳型に適用する場合、鋳型それぞれに電磁攪拌装置が必要となるので、電磁攪拌装置の設置数の増加や、鋳型の大型化により複数鋳型でのストランドの共有化ができなくなるという点である。また、本発明が解決しようとする他の課題は、パイ型電磁コイルを備えた電磁攪拌装置で生じ得る、小断面の鋳型を複数設置した場合にコイル間の間隔が狭くなり、鋳型を貫通する磁束成分が強くなりすぎ、移動磁界が形成し難くなって電磁力に不連続な領域が生じてしまうという点である。

　本発明は、一対のパイ型電磁コイルを有する電磁攪拌装置を使用し、単数或いは複数の鋳型の双方に対して、均一な電磁力の付与により鋳型内の溶鋼流動を適正化することで、鋳片品質を安定化するために、以下の構成としている。

　すなわち、本発明の第１の態様は、複数のストランドよりなる鋳型４を所定の間隔で電磁コイルＣ１、Ｃ２により挟み、それぞれの位相差が１２０度である三相交流電流を通電する電磁攪拌装置５である。

　その際、電磁コイルＣ１、Ｃ２は、各々のコア１１にそれぞれ２個のティース部１２が鋳型４側へ突出状に設けられ（各々のコア１１に、鋳型４側へと突き出した凸部１２がそれぞれ２個設けられ）、これら各ティース部１２には、外側にそれぞれに内側巻き線１３が施されると共に、これら内側巻き線１３が施された２個のティース部１２のさらに外側に外側巻き線１４が施されることにより一つにまとめられた構成のパイ型電磁コイルＣ１、Ｃ２を採用する。

　そして、前記構成のパイ型電磁コイルＣ１、Ｃ２に、例えば図２Ａ及び図２Ｂに示すように、位相差が１２０度である三相交流電流Ａ、Ｂ、Ｃを流す。図２Ａ及び図２Ｂの紙面左右方向が鋳造方向である。図２Ａに示した方式は、外側巻き線１４に同じ方向の電流を流すことにより、外側巻き線の磁束が同じ方向を向くように、対をなす電磁コイルのうちの一方の電磁コイルＣ１（紙面下側）には、鋳造方向の一端側から他端側に向かって順に－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂとなるように、他方の電磁コイルＣ２（紙面上側）には、鋳造方向の一端側から他端側に向かって順に－Ｂ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ｂとなるように、電流Ａ、Ｂ、Ｃを流す方式（以下において、この形態を「貫通型結線方式」という。）である。また、図２Ｂに示した方式は、鋳型４の横断面中心を中心として点対称となるように、一方の電磁コイルＣ１（紙面下側）には、鋳造方向の一端側から他端側に向かって順に－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂとなるように、他方の電磁コイルＣ２（紙面上側）には、鋳造方向の一端側から他端側に向かって順に＋Ｂ、－Ａ、＋Ａ、－Ｃ、＋Ｃ、－Ｂとなるように電流Ａ、Ｂ、Ｃを流す方式である（以下において、この形態を「対称型結線方式」という。）。

　このとき、鋳型４内の任意の半径方向位置における周方向へ作用する電磁力を均一なものとするため、対向配置した電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌを、対称型結線方式の場合は５００ｍｍ未満、貫通型結線方式の場合は５００ｍｍ以上とする。

　本発明において、５００ｍｍという値を区分けの基準とした理由は、シングル鋳造とツイン鋳造において、使用する鋳型の直径に応じて鋳型フレームの共用化を行う際の電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌを確保するためである。

　また、対をなす電磁コイル当たりの鋳型数（対をなす電磁コイルＣ１、Ｃ２の、鋳造方向の一端側の端面と他端側の端面とによって挟まれた領域に配置される鋳型４の数）をｎ（個）、各鋳型の外寸サイズ（丸ビレットの場合は鋳型銅板の外寸直径、角ビレットの場合は鋳型銅板の長辺側の外寸幅）をφ（ｍｍ）、電磁コイル幅をＷ（ｍｍ）としたときに、下記（１）式を満たすように鋳型数を決定する。
  ｎ×φ＜Ｗ　…（１）

　本発明の第２の態様は、電磁攪拌装置を使用する連続鋳造方法であって、該電磁攪拌装置が上記本発明の第１の態様にかかる電磁攪拌装置５であり、且つ、メニスカス後の鋳型近傍における鋳型周方向への溶鋼流速の最小値Ｖｍｉｎが、１０ｃｍ／ｓ（秒速１０ｃｍ）以上となるようにすることを特徴とする、連続鋳造方法である。このような形態にすることにより、各々の鋳型４への電磁力を均一に付与することができる。ここで、「鋳型近傍」とは、電磁攪拌装置５を使って溶鋼に流動を与えることが可能な範囲内をいい、一例として、溶鋼が接触している鋳型壁面からの距離が１００ｍｍ以内の領域をいう。

　本発明では、単数或いは複数の鋳型を使用して同時に鋳造する連続鋳造装置において、一対の電磁コイルＣ１、Ｃ２を有する電磁攪拌装置５を用いて、各鋳型４への電磁力を均一に付与することが可能となる。その結果、鋳型へ個別に電磁攪拌装置を設置する必要が無くなるので、設備費を抑制することが可能となる。また、電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌに応じて対称型結線方式又は貫通型結線方式とするので、電磁力に不連続な領域が生じないようにすることが可能になる。

ビレット鋳片の連続鋳造設備１００の構成例を側面方向から見た縦断面図である。 パイ型電磁コイルの概要と貫通型結線方式を示した図である。 パイ型電磁コイルの概要と対称型結線方式を示した図である。 鋳型内溶鋼流速の最小値と鋳片表面欠陥の発生率との関係を示した図である。 鋳型を２基設置した場合（ｎ＝２の場合）の概要を示した図である。 鋳型を３基設置した場合（ｎ＝３の場合）の概要を示した図である。 貫通型結線方式の場合の電磁力を示した図であり、外径が３６０ｍｍの鋳型を１基設置した場合の解析結果を示した図である。 貫通型結線方式の場合の電磁力を示した図であり、外径が１８０ｍｍの鋳型を２基設置した場合の解析結果を示した図である。 対称型結線方式の場合の電磁力を示した図であり、外径が３６０ｍｍの鋳型を１基設置した場合の解析結果を示した図である。 対称型結線方式の場合の電磁力を示した図であり、外径が１８０ｍｍの鋳型を２基設置した場合の解析結果を示した図である。 鋳型４近傍における鋳型周方向への溶鋼流速Ｖを説明する図である。

　本発明は、多様なサイズの鋳型に対して、共通の電磁攪拌装置を使用して、単数或いは複数の鋳型内における電磁力を均一に付与することを目的としており、以下の条件を満たす。

　発明者らは、電磁攪拌装置の各電磁コイルへ位相差を有する電流を流す際の結線方法について、それぞれ計算モデルによる電磁場解析を行なった（図５Ａ乃至図６Ｂ参照）。図５Ａ及び図６Ａにおける「３．５００×１０^３」、並びに、図５Ｂ及び図６Ｂにおける「４．７００×１０^３」は、何れもローレンツ密度（Ｎ／ｍ^３）である。また、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び、図６Ｂにおける矢印は、電磁力により溶鋼が受ける力の方向を示している。

　その結果、電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌが５００ｍｍ未満の小断面鋳型の場合には、図２Ａに示した貫通型結線方式では電磁力の淀み部が発生するのに対して、図２Ｂに示した対称型結線方式にして、内側巻き線１３及び外側巻き線１４に位相がそれぞれ１２０度異なる電流Ａ、Ｂ、Ｃを流すことにより、鋳型４の全周に亘って均一な電磁力が付与されることを見出した。

　但し、電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌが５００ｍｍ以上になる大断面鋳型の場合に対称型結線方式とすると、電磁力の淀み部は発生しないが、貫通型結線方式に比較して電磁力が弱いため溶鋼の流速が低減してしまう。従って、電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌが５００ｍｍ以上になる大断面鋳型の場合には、図２Ａに示した貫通型結線方式とすることが望ましい。

　また、対をなす電磁コイル当たりの鋳型数（対をなす電磁コイルＣ１、Ｃ２の、鋳造方向の一端側の端面と他端側の端面とによって挟まれた領域に配置される鋳型の数）をｎ（個）、各鋳型の外寸サイズをφ（ｍｍ）、電磁コイル幅をＷ（ｍｍ）としたときに、上記式（１）に従うように、鋳型数を決定するのは、対をなす電磁コイルＣ１、Ｃ２の間へ過大なサイズの鋳型を複数配置することによって、電磁力の発生中心であるティース部１２から鋳型４が外れ、その結果、電磁力が付与されない領域が発生することを防ぐためである。また、電磁攪拌装置５による電磁力はティース部１２と直交する方向に働くため、複数の鋳型４を設置した場合も、全ての鋳型４に対して均一な電磁力が付与されるようにするためである。
  これが、本発明の電磁攪拌装置５である。

　次に、発明者らは、図１に示す、本発明の電磁攪拌装置５を備えた連続鋳造設備１００を用いて、鋳片表面欠陥発生率（％）と本発明装置を用いた電磁攪拌による鋳型壁近傍における溶鋼流速の最小値（ｃｍ／ｓ）との関係を調査した。

　ここで、鋳片表面欠陥発生率については、パウダー欠陥を対象として調査し、１チャージの鋳造鋳片１０～５０本（鋳型径により変動）の総本数に対して、パウダー欠陥が発生した鋳片本数を鋳片表面欠陥発生率（％）と定義し評価を行った。

　溶鋼流速については、後述の実施例での丸ビレット鋳片から横断面サンプルを採取し、表皮から１０ｍｍのデンドライトの偏向角を鋳型全周について１５度間隔（合計２４個）で測定し、これから換算して求めた値の中で、最小値をＶｍｉｎとした。

　その結果、発明者らは、図３に示すように、溶鋼流速の最小値の減少に伴って鋳片表面欠陥発生率が上昇することを見出した。そして、鋳片表面欠陥発生率が手入れでの対応が可能な１．５％未満となるように、メニスカス後の鋳型壁近傍における電磁攪拌による溶鋼流速の最小値が１０ｃｍ／ｓを確保できるよう、結線方式及び鋳型数を決定することが望ましいという知見を得て、本発明の連続鋳造方法を完成させた。なお、「手入れでの対応が可能」とは、グラインダーなどを用いて鋳片表面を１～５ｍｍ程度削ることにより、鋳片表面の欠陥部を除去可能であることをいう。以下においても同様である。図７に、鋳型４近傍における鋳型周方向への溶鋼流速Ｖを示す。

　本発明の連続鋳造方法において、鋳片表面欠陥発生率をより低下させる観点からは、メニスカス後の鋳型壁近傍における溶鋼流速の最小値を２０ｃｍ／ｓ以上にすることが望ましい。

　本発明の電磁攪拌装置による攪拌は、パイ型の鉄心（コア）を有する電磁攪拌のため、鋳型の個々に回転磁場が印加されるのではなく、位相差が１２０度である三相交流電流Ａ、Ｂ、Ｃ及びコアと平行に磁場が移動することで電磁力が生じる。その結果、磁場の移動と共に電磁攪拌装置５付近の溶鋼（鋳型壁近傍の溶鋼）が流動するので、図２Ａ及び図２Ｂに示したような、鋳型４が一つの場合だけでなく、図４Ａ及び図４Ｂに示すような鋳型４が複数の場合でも、電磁攪拌装置５近傍の溶鋼（鋳型壁近傍の溶鋼）が均一に流動することになる。ここで、図４Ａ及び図４Ｂの紙面左右方向が鋳造方向である。

　以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
  本発明は、鋳造方向の幅がＷである電磁コイルＣ１、Ｃ２の、鋳造方向一端側の端面及び他端側の端面によって挟まれた領域にメニスカスが存在する位置に配置された電磁攪拌装置５を用いて鋳型４内へ電磁力を付与することにより、溶鋼を均一に流動させ、その結果、鋳片内質を改善する。

　図１に示した連続鋳造設備１００の電磁攪拌装置５として、図２Ｂに示した対称型結線方式の電磁攪拌装置を使用して、外面側の直径φ（外径φ）が１８０ｍｍ、２２５ｍｍ、２６５ｍｍ、４００ｍｍの鋳型を単数或いは複数使用して、０．５～２．０ｍ／ｍｉｎの鋳造速度、電磁コイルへの印加電流値が３００～６００Ａ、磁場強度が５０～１５０ｍＴ（ミリテスラ）の条件で連続鋳造した際の、鋳型内溶鋼流動の測定結果を、表１に示す。

　なお、使用した電磁攪拌装置は、幅Ｗが５５０ｍｍと４００ｍｍの２種類を準備し、幅Ｗが５５０ｍｍの電磁攪拌装置は、電磁コイルＣ１、Ｃ２間の距離Ｌが４５０ｍｍと６００ｍｍの２水準、幅Ｗが４００ｍｍの電磁攪拌装置は、電磁コイル間Ｃ１、Ｃ２の距離Ｌが６００ｍｍのみで試験を行った。

　また、表１には、本発明で規定する条件を満足する発明例１～５と、本発明で規定する条件を満足しない比較例６～８についての各条件とメニスカス後の鋳型近傍における鋳型周方向への溶鋼流速の最小値Ｖｍｉｎも示す。

　下記表１において、表面欠陥発生率λがλ＜０．５％の場合は◎、０．５％≦λ＜１．５％の場合は○、１．５％≦λの場合は×とした。この評価基準は、手入れでの対応が可能なものが◎又は○に相当し、不良頻度が高いことにより手入れでの対応が不可なものが×に相当する。

　表１に示したように、メニスカス後の鋳型近傍における鋳型周方向への溶鋼流速の最小値Ｖｍｉｎが１０ｃｍ／ｓ以上であった発明例１～５はいずれも、表面欠陥発生率λが１．５％未満であり、手入れでの対応が可能であった。一方、溶鋼流速の最小値Ｖｍｉｎが１０ｃｍ／ｓ未満であることにより、本発明の連続鋳造方法の条件を満足しない比較例６～８はいずれも、表面欠陥発生率λが１．５％以上であり、手入れでの対応が不可であった。

　本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

　以上の本発明は、連続鋳造であれば、湾曲型、垂直型など、どのような方式の連続鋳造であっても適用できる。また、スラブの連続鋳造だけでなくブルームの連続鋳造にも適用できる。

　Ｃ１、Ｃ２…電磁コイル
　４…鋳型
　５…電磁攪拌装置
　１１…コア
　１２…ティース部
　１３…内側巻き線
　１４…外側巻き線
　１００…ビレット鋳片の連続鋳造設備（ビレット用連続鋳造装置）

Claims (2)

1. ビレット用連続鋳造装置における鋳型内の溶鋼流動を制御すべく、
   　単数或いは複数の鋳型を所定の間隔で対向して挟む対をなす電磁コイルを有し、
   　これら対をなす電磁コイルの各々の鉄心のコアには、それぞれ２個のティース部が、前記鋳型側へと突出するように設けられ、
   　これら各ティース部は、外側にそれぞれ内側巻き線が施されると共に、これら内側巻き線が施された２個のティース部は、前記内側巻き線のさらに外側に外側巻き線を施すことにより一つにまとめられ、
   　これら内側巻き線及び外側巻き線に３相交流電源よりそれぞれの位相差が１２０度である電流Ａ、Ｂ、Ｃが流される電磁攪拌装置であって、
   　前記鋳型を挟んで対向配置された対をなす前記電磁コイル間の距離Ｌが５００ｍｍ以上の場合は、前記外側巻き線及び内側巻き線に流す電流の向きを、鋳造方向の一端側から他端側へ向かって順に、対をなす前記電磁コイルの一方の電磁コイルは－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂとするとともに、対をなす前記電磁コイルの他方の電磁コイルは－Ｂ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ｂとし、
   　前記距離Ｌが５００ｍｍ未満の場合は、前記外側巻き線及び内側巻き線に流す電流の向きを、鋳造方向の一端側から他端側へ向かって順に、対をなす前記電磁コイルの一方の電磁コイルは－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ、＋Ａ、－Ａ、＋Ｂとするとともに、対をなす前記電磁コイルの他方の電磁コイルは＋Ｂ、－Ａ、＋Ａ、－Ｃ、＋Ｃ、－Ｂとし、
   　前記対をなす電磁コイルの鋳造方向一端側の端面及び他端側の端面に挟まれた領域に配置される鋳型数をｎ（個）、各鋳型の外寸サイズをφ（ｍｍ）、電磁コイル幅をＷ（ｍｍ）としたときに、下記式を満たす個数以下の鋳型を対をなす前記電磁コイルの間に配置したことを特徴とする電磁攪拌装置。
   　ｎ×φ＜Ｗ
2. 電磁攪拌装置を使用する連続鋳造方法であって、
   　前記電磁攪拌装置が請求項１に記載の電磁攪拌装置であり、且つ、
   　メニスカス後の鋳型近傍における鋳型周方向への溶鋼流速の最小値Ｖｍｉｎを、１０ｃｍ／ｓ以上にすることを特徴とする連続鋳造方法。

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